基于石墨烯的非線性調制技術

□陳明武 紀明明 方 鳴

非線性光學是光子學的一個分支,致力于非線性光和物質之間的相互作用,更具體地說,介電極化后的誘導材料會對光電場產生非線性響應。1961年，在發明第一臺激光器之后的一年，Peter Franken和他的同事首次用脈沖紅寶石激光器觀察到二次諧波產生(SHG)的非線性效應，兩個具有相同頻率的光子被轉換成具有入射光子頻率的兩倍的新光子[1]。這一發現標志著非線性光學的誕生。目前，各種非線性光學設備已經廣泛應用于人們的日常生活中[2～3]。例如，用于微加工和顯微外科的超快激光器；用于醫學診斷、生物傳感和成像的各種形式的非線性光學光譜；以及用于光學通信的信息安全系統。

一、石墨烯非線性調制技術的最新成果

目前，“第三諧波產生(THG)”的非線性光學過程可以使用電柵電壓在石墨烯中進行廣泛的調制[4]。目前，可電調制的SHG已經被廣泛關注,單層WSE2(二維過渡金屬雙鹵素家族中經過充分研究的半導體),具有一定的可擴展性,但光譜帶寬比較有限[5]。石墨烯是一種單層的碳原子填充在二維蜂窩晶格中形成的2D材料，具有很強的超寬帶光-物質相互作用，已被廣泛應用于光子和光電子器件，包括光子源、光電調制器和光電探測器[6]。對于非線性光學來說，由于反轉對稱性，石墨烯不具備二階光學非線性特性，但是具有三階光學非線性特性[7]。石墨烯的飽和吸收就是一種超快脈沖產生的三階非線性光學響應[8]。

最新研究發現石墨烯化學勢(EF)具有選擇性地開啟或關閉單光子和多光子共振躍遷的能力(如圖1所示，紅色箭頭表示在ω0頻率的輸入光子，藍色箭頭表示在3ω0的頻率下生成的三階諧波光子)。當激發波長為1566nm時，在化學勢為0.74eV的情況下，可獲得30倍的最大調制強度。相關的參考文獻已經得出類似的結果[9]。試驗證明在不需要波長調制的情況下,門控(或摻雜)石墨烯比化學原始石墨烯樣品更適合與THG應用。如此一來，利用摻雜的石墨烯可以提高具有低插入損耗的器件所需的三階非線性光學極化率并減少了線性光吸收帶來的負面影響。通過各種四波混合(FWM)過程的電氣操作(這是一個三階非線性光學過程),兩個或三個光子混合在一起,可以產生一個或兩個新的光子。由于單光子或多光子共振躍遷的相位差，差頻FWM的行為與THG完全不一樣。值得注意的是，這種具有多光子共振選擇的可調諧非線性光學響應也存在于石墨烯的非線性光學調制過程中，例如高次諧波產生。

圖1 石墨烯中的多光子共振效應

二、石墨烯非線性調制技術的最新研究

由于激子躍遷能量較窄，單層WSE2中的三階非線性諧波產生過程的操作帶寬(在低工作溫度下大約幾十毫伏)非常有限。據最新報道,可調諧THG的操作帶寬從1,300納米到1,650納米,涵蓋了最常見的光纖通信光譜1,550納米。如此寬的操作帶寬來自石墨烯狄拉克費米子的線性能量色散，這與以前的電可調演示結果完全不同。從理論上講，狄拉克材料中的可調諧非線性光學器件的寬頻帶操作應該是可能的，因為越長的工作波長(例如中紅外光譜區域)自然摻雜越小，而越短的工作波長(例如可見光譜區域)摻雜越高。還有其他狄拉克材料,如拓撲絕緣體和某些半金屬,其非線性光學特性更加有趣，值得進一步研究。石墨烯的光學頻寬很寬，具有光可調非線性特性，這為電調諧非線性光學器件的研究提供了一種新方法。

在過去的一段時間里,石墨烯和其他二維層狀材料的非線性光學研究已經取得了很大的進步。然而，研究人員在測量了它們的非線性光學響應之后發現，不同的材料，其測量結果可能相差幾個數量級，例如三階極化的石墨烯和二階非線性光學極化的二硫化鉬。研究結果表明，在不同的摻雜水平下，石墨烯的三階非線性響應效果差別很大。所以，不得不考慮摻雜水平以獲得非線性光學響應的科學比較。

光學納米材料之間的非線性相互作用通常沿著相互作用長度而不斷地相干積聚。石墨烯和其他二維材料只包含一個或幾個原子層,它們的相互作用長度非常有限。因此,盡管有一個較大的三階極化率,但2D材料的頻率轉換效率非常低(約3x10-10%)。未來的研究工作可能致力于尋找使用各種方法來增強2D材料中的非線性光學相互作用，包括異質結構、相位匹配方法、波導/光纖集成和光學諧振器。此外,各種極化子(例如,等離子體、聲子和激子偏振)和光子超材料可以對二維材料及其混合異質結構中的光學非線性過程進行局部增強和操作。(圖2a～c，a、光子晶體腔。b、微磁盤諧振器。c,可電動調諧微諧振器。圖2d，等離子體結構。紅色箭頭表示輸入光子,以及藍色和綠色箭頭表示在不同頻率下所產生的光子。)

圖2 二維材料中的非線性光學響應

電可調非線性光學材料在光子學的各個方面發揮著越來越重要的作用。人們已經制造出各種各樣的、廣泛使用的光子器件(例如脈沖激光器、開關、調制器和存儲器)，相對于電子技術來說，光子技術有著無與倫比的優點。近年來，包括芯片光子學、量子納米光子學、非線性等離子體光子學和強場納米物理學在內的非線性納米光子應用受到了人們的廣泛關注。然而,由于相對較小的非線性光學敏感性和復雜而昂貴的制造和集成方法，采用傳統塊狀晶體的解決方案已經達到了其材料特性所帶來的技術極限。

四、石墨烯非線性調制技術的未來展望

石墨烯和其他具有較大非線性光學響應的二維材料具有與集成芯片兼容的優點,因此利用二維材料的非線性響應特性，人們有信心應對即將到來的非線性納米光學和納米物理學所帶來的嚴峻挑戰。石墨烯和石墨烯類材料的門可調諧非線性光學機制有著各種優勢,占地面積小、速度快(超過幾十GHZ)和兼容互補金屬氧化物(CMOS)等,這些優點是未來芯片發展所必需的條件。如果二維材料中的非線性光學相互作用能夠繼續增強，大規模、高質量的二維材料能夠不斷生產，那么，使用完全不同的方法來構造電可調諧的非線性光學納米裝置(例如，頻率梳，超快激光器，太赫茲元件，量子源，光參量的來源等)指日可待，這些裝置不但在計量、傳感和成像方面有著重要應用，而且對量子技術和電信技術的發展也有著重要研究價值。